Очистка бытовых сточных вод

При очистке сточных вод (СВ) производится разрушение или извлечение из них вредных веществ.

Канализация – это комплекс инженерно-технических сооружений и санитарных мероприятий, которые обеспечивают сбор и удаление за пределы населенных мест и предприятий загрязненных СВ, их очистку, обезвреживание и обеззараживание (уничтожение опасных микроорганизмов).

Канализационные системы подразделяются на общесплавные, раздельные и полураздельные.

При общесплавной системе все виды СВ из городских кварталов плюс поверхностный сток отводят от одной сети трубопроводов. Для
такой системы характерны периодические сбросы части производствен-
но-бытовых СВ в водные объекты через ливневые спуски. В силу этого рекомендуется отказываться от проектирования общесплавных систем канализации для новых населенных пунктов.

При раздельной системе канализации устраивают две сети трубопроводов: хозяйственно-бытовые и промышленные СВ подаются по производственно-бытовой сети на очистные сооружения, а дождевые, талые и поливные воды в ближайший водный объект.

Полураздельная система канализация является, как считают специалисты, наиболее перспективной с точки зрения охраны водных объектов от загрязнения поверхностным стоком из городов. При этом на очистку отводят все производственно-бытовые СВ города и большую часть поверхностного стока.

Очистка бытовых СВ может осуществляться механическими и биологическими методами. При механической очистке СВ разделяют на жидкую и твердую часть. Жидкая далее подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка СВ осуществляется на земледельческих полях орошения и фильтрации, а также в биологических прудах и т. п. (рис. 25). Искусственная биологическая очистка проводится на специальных сооружениях (биофильтрах, аэротенках). Образующийся при этом ил обрабатывают на иловых площадках или в специальных устройствах – метатенках.

Производственные СВ предварительно проходят локальные очистные сооружения, где освобождаются от взвешенных частиц или специфических токсичных компонентов с использованием механических, химических или физико-химических методов очистки.

Рис. 25. Схема очистки сточных вод с использованием полей орошения:
1 – канализационный коллектор; 2 – канализационный колодец; 3 – решетка; 4 – дробилка; 5 – песколовка; 6 – песковые площадки; 7 – отстойник; 8 – метатенк; 9 – иловые площадки; 10 – аэротенк; 11 – вторичный отстойник; 12 – распределительный колодец; 13 – карты полей орошения; 14 – дренаж; 15 – биологический пруд; 16 – использование воды для технических целей; 17 – выпуск в водоем

Для механической очистки применяют следующие сооружения:

решетки, на которых задерживаются грубые примеси размером больше 5 мм;

сита, задерживающие примеси СВ размером до 5 мм;

песколовки, служащие для задержания минеральных загрязнений СВ, преимущественно песка;

жироловушки, маслоловушки, нефтеловушки, смололовушки для улавливания из СВ соответствующих загрязнений, более легких, чем вода;

отстойники для осаждения взвешенных веществ с удельным весом больше единицы.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно. В соответствии с закономерностями гидравлики потока песчинки уносятся вместе с водой только при определенной скорости течения. При снижении этой скорости крупинки песка оседают на дно резервуара, а вода течет дальше.

Для очистки СВ от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания. В основе процесса отстаивания лежит принцип выделения нефтепродуктов под действием разности плотностей воды и частиц масла. На этом же принципе функционируют жироловушки, маслоловушки и смололовушки.

Для биологической очистки применяют следующие сооружения:

Поля фильтрации – участки земли, приспособленные для естественной биологической очистки сточных вод путём фильтрации их через почвенные горизонты. Устраивают на песчаных, супесчаных и суглинистых почвах с хорошими фильтрационными свойствами.

Поля орошения – участки земли, подготовленные для естественной биологической очистки сточных вод и выращивания сельскохозяйственных растений, потребляющих питательные вещества, содержащиеся в сточных водах.

Необходимо отметить, что орошение биологически очищенными СВ не исключает возможности загрязнения почвы и выращиваемых культур патогенными бактериями и яйцами глистов.

Биологические пруды – пруды, используемые для биологической очистки сточных вод. Действуют по принципу самоочищения воды живущими в ней организмами, в результате чего накапливается илообразная масса, которая может быть использована в сельском хозяйстве в качестве удобрения или как сырье для его производства. При этом различают пруды с естественной и искусственной аэрацией (с помощью механических аэраторов). В окислительных процессах большую роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Общее время пребывания СВ в прудах составляет несколько суток.

Сооружения искусственной биологической очистки. В основе биологической очистки лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в СВ. Биологическое окисление осуществляется активным илом – сообществом микроорганизмов, которое включает множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Аэротенки (от аэро... и англ. tank – резервуар) – ряд определенным образом построенных бассейнов в системе очистных сооружений для сточных вод, в которых имеется активный ил и куда подается кислород. Микроорганизмы в присутствии кислорода энергично минерализуют органические вещества из поступающих сточных вод и способствуют, таким образом, очищению воды.

Биофильтры являются примерами применения биотехнологии в охране окружающей среды. Они находят широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных СВ до 20–30 тыс. м³/сут. Биофильтр (рис. 26) представляет собой резервуар, который заполняется загрузочным материалом (гравий, керамзит, шлак) слоем высотой 2–4 м. Сточная вода подается выше поверхности загрузочного материала; равномерно распределяется через загрузочный материал, на поверхности которого образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная СВ поступает на сплошное днище биофильтра и с помощью лотков направляется в отстойник.

Рис. 26. Схема биофильтра: 1 – подача СВ; 2 – распределитель СВ; 3 – загрузочный
материал; 4 – поддерживающая решетка; 5 – отведение очищенных СВ

Обеззараживание прошедших стадию биологической очистки СВ,
а также не прошедших таковую проводят путем контакта с газообразным хлором, хлорной известью, а также гипохлоритом натрия, получаемым на месте в электролизере или привозным. В последние годы интенсивно внедряются методы обеззараживания СВ при помощи озона и УФ-лучей,
а также электроимпульсного разряда.

Химические методы применяются главным образом для очистки производственных СВ. Основными приемами являются нейтрализация и окисление-восстановление.

Производственные технологические процессы проходят как в кислых (избыток ионов Н⁺), так и в щелочных (избыток ОН^-) средах, что приводит к появлению соответствующих стоков. Сбалансировать количество ионов Н и ОН – в этом состоит суть метода нейтрализации при очистке стоков.

Наиболее рациональным является взаимное объединение кислых и щелочных стоков. Водоотведение кислых и щелочных стоков по единой системе трубопроводов не всегда целесообразно, так как это может вызвать выпадение осадков в трубах и, как следствие, засорение сети.

Для нейтрализации кислых вод применяют щелочные реагенты: СаО, гашеную известь Са(ОН)₂, кальцинированную соду Na₂CO₃, каустическую соду NаОН, аммиачную воду, а также фильтрацию через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, магнезит, мел).

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются кислоты: серная Н₂SО₄, соляная НСl, азотная HNО₃, реже уксусная СН₃СООН. Возможно использование для этих целей дымовых газов, содержащих СО₂, SО₂, NO_x.

СВ, содержащие окисленные переменновалентные элементы (Cr⁶⁺, Cl^-, Cl⁵⁺, N^3-, N⁵⁺ и др.), как правило, обезвреживаются в две ступени. На первой элементы, находящиеся в высшей (или высокой) степени окисления, восстанавливаются до низшей (или промежуточной) валентности, при которой данный элемент на второй ступени очистки может быть выделен из жидкой фазы в виде осадка, газа или переведен в малотоксичную форму.

Окислительный метод применяется при очистке промышленных СВ от токсичных цианидов, сульфидов, меркаптанов, фенолов, крезолов и т. д. Реагентами для этого метода являются хлор и его производные (гипохлориты, диоксид, хлораты), кислород, озон, перманганаты, хроматы и бихроматы, пероксид водорода. Восстановительный метод применяется для очистки СВ от нитритов и нитратов, хроматов и бихроматов, хлоратов и перхлоратов, сульфатов, броматов, иодатов. Восстановителями в этом случае выступают окисленные переменновалентные элементы, содержащиеся в сульфатах, сульфидах, солях двухвалентного железа, диоксиде серы (из дымовых газов).

Физико-химические методы так же, как и химические, в основном применяются для очистки производственных СВ. Однако в последнее время некоторые из них стали применяться и при очистке городских СВ.
К физико-химическим методам относятся:

коагуляция – процесс укрупнения коллоидных частиц в жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. При первоначальном размере частиц 0,001–0,1 мкм после коагуляции их величина достигает 10 мкм и более, т. е. тех размеров, при которых они могут быть выделены механическими методами. Коагуляция не только приводит к слипанию частиц, но и нарушает агрегативную устойчивость полидисперсной системы, в результате чего происходит разделение твердой и жидкой фаз. Как и при очистке природных вод, наибольшее распространение получили алюмо- и железосодержащие коагулянты;

флокуляция – укрупнение мелкодисперсных частиц за счет электростатического взаимодействия под влиянием специально вводимых полиэлектролитов – флокулянтов. В практике водоочистки наибольшее распространение получили активированная кремнекислота и полиакриламид;

флотация– процесс выделения из воды в пенный слой взвешенных и эмульгированных загрязнений за счет пузырьков газа, предварительно растворенных в очищаемой жидкости;

сорбция – поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое им вещество – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция); поверхностным слоем твёрдого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция эффективна для глубокой очистки производственных СВ от растворенных органических и некоторых неорганических загрязнений.

Следует отметить, что в воде, подаваемой на адсорбционную очистку, концентрация взвешенных веществ не должна превышать 2 мг/л во избежание закупоривания рабочих пор.

В качестве сорбентов применяют различные естественные и искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. В наибольшей степени для этих целей применяются активированные угли, удельная поверхностная адсорбция которых достигает 400–900 м²/г.

Существенным препятствием к широкому применению адсорбционной очистки в практике водообработки является дефицитность активированных углей и сложность процессов их регенерации.

Адсорбцию наиболее целесообразно применять для очистки мало концентрированных по органическим веществам стоков.

Для более концентрированных (более 2 г/л) СВ, содержащих органические загрязнения, представляющие техническую ценность, эффективным методом очистки является экстракция. Метод основан на смешивании двух взаимонерастворимых жидкостей (одна из которых сточная вода) и распределении в них согласно растворимости загрязненного вещества.

В качестве экстрагентов используют различные органические вещества: ацетон, хлороформ, бутилацетат, толуол и т. д.

Ионный обмен – извлечение катионов и анионов из СВ при помощи ионитов, являющихся твердыми природными или искусственными материалами (например, искусственные ионообменные смолы). Извлеченные при помощи ионного обмена вещества не разрушаются, а концентрируются, благодаря чему имеется возможность их утилизации или ликвидации. Катиониты вступают в обмен с катионами, аниониты – с анионами.

Несмотря на эффективность и экологичность, ионообменный метод не нашел широкого применения в промышленности из-за дефицита ионообменных смол, необходимости организации реагентного хозяйства для регенерации и сложности утилизации элюатов (экстракт из сорбента).